FR2891647A1 - Systeme de localisation en 2-d d'un vehicule a faible vitesse. - Google Patents

Abstract

Système de localisation en 2 dimensions d'un véhicule à faible vitesse, comprenant des capteurs de vitesse de roue pour capter des impulsions représentatives de la position d'une roue, un moyen de mémorisation destiné à stocker lesdites impulsions, une unité centrale de traitement comprenant une horloge destinée à ajouter une estampille temporelle à chaque impulsion indiquant son temps de réception par le moyen de mémoration, un odomètre recevant les données stockées pour calculer la position du véhicule, ledit odomètre incluant un moyen de mesure du temps destiné à mesurer la durée entre la réception de chaque impulsion, un moyen de détermination d'un pas correspondant à la durée entre la réception de chaque impulsion, un moyen de sélection pour établir une valeur n, un moyen de division pour diviser le pas par la valeur n pour obtenir un pas virtuel, ledit odomètre utilisant le pas virtuel pour calculer la position du véhicule par une équation d'odométrie.

Description

SYSTEME DE LOCALISATION EN 2-D D'UN VEHICULE A FAIBLE

VITESSE

La présente invention concerne un système de localisation en deux dimensions d'un véhicule. Plus précisément, l'invention concerne un tel système adapté pour un véhicule se déplaçant à faible vitesse par exemple pendant des manoeuvres de stationnement.

Les systèmes de localisation actuels, par exemple, les systèmes de navigation, utilisent en général plusieurs entrées de données au système pour déterminer la pose en 2 dimensions (position et orientation) d'un véhicule. Le système de localisation est en fait un ensemble de plusieurs sous-systèmes où un système fonctionne en tant que sous-système de référence, et l'autre sous-système, ou les autres sous-systèmes, sont utilisés pour corriger l'erreur du sous-système de référence.

Parmi les différents systèmes, on connaît les systèmes d'odométrie qui utilisent les capteurs de vitesse de roues pour exécuter la fonction du système de navigation à l'estime. En fait, en utilisant l'odométrie, la position du véhicule peut être déterminée à partir des déplacements des roues.

Généralement, les capteurs de vitesse sont installés autour d'un moyeu d'une roue pour diviser le diamètre de la roue en un nombre de zones qui définissent la résolution du capteur. Ainsi en mesurant le nombre de zones parcourues par chaque roue, il est possible de déduire le déplacement du véhicule s'il est possible de déterminer avec précision le déplacement sur chaque zone.

RB

Il est généralement admis que ce dernier déplacement est constant si le véhicule se déplace sur une route plate. Actuellement dans l'industrie automobile la résolution de ces capteurs peut être de 24, 48, ou 96 zones par révolution de roue. Toutefois, l'odométrie est connue comme étant soumise à plusieurs types d'erreurs. Par exemple, le changement de pression des pneus change le diamètre de roue et influence donc la mesure en modifiant la valeur de la distance parcourue sur chaque zone.

Aussi, le patinage d'une roue est une cause d'erreur. Vu les dimensions des roues, il est difficile, et coûteux, d'augmenter la résolution des capteurs pour diminuer l'erreur.

Donc, ce système d'odométrie est souvent combiné 15 avec un autre système afin d'augmenter la précision de l'ensemble.

Par exemple, le document EP-A-O 738 877 décrit un système de localisation utilisant un odomètre, instrument de mesure des distances par enregistrement du nombre de tours que fait une roue, pour le calcul de la position.

En comparant les données à celles qui sont disponibles sur une carte électronique, l'écart peut être réduit quand on considère que le véhicule doit se trouver sur une route.

Il est également connu d'utiliser le système mondial de positionnement GPS en combinaison avec un capteur cinématique tel qu'un odomètre afin de minimiser l'erreur de chaque système.

Dans la plupart des systèmes de navigation modernes, on combine une série de capteurs afin d'obtenir une information de position fiable et précise. Un récepteur GPS est certes une des composantes principales d'un tel appareil, mais ce n'est de loin pas le seul capteur utilisé. Le système combine ainsi des informations de distance parcourue (mesurée à l'aide d'un odomètre) et de direction (mesurée à l'aide d'un gyroscope) afin de calculer un parcours local. Cette technique est appelée navigation à l'estime . Ce résultat peut être combiné aux mesures GPS -absolues - pour fournir une trajectoire dans un système global. Le système fait ensuite correspondre cette trajectoire à son pendant le plus probable contenu dans la base de données routières. Cette technique est connue sous le terme anglais appelé Map Matching , littéralement coller à la carte . Afin de tirer profit de l'ensemble des capteurs et de la carte routière numérique, le système de navigation va fusionner l'ensemble des informations. Cette combinaison d'informations peut être réalisée au moyen d'un filtre 15 numérique de Kalman.

Le système GPS convient parfaitement pour les calculs d'itinéraires, surtout sur une longue distance, mais ce système est peu adapté en tant qu'aide au stationnement, car la résolution du système GPS est normalement autour de 10 mètres, même si cette précision est tout à fait adaptée aux exigences de l'aide à la navigation, notamment lorsqu'il s'agit d'avertir le conducteur d'un véhicule d'un changement de direction avant un carrefour.

Il existe certes de techniques pour améliorer la résolution des systèmes GPS, mais dans le meilleur des cas, la résolution est au mieux de l'ordre de quelques centimètres. De plus, dans des zones urbanisées, l'effet de multi-trajets perturbe le signal GPS reçu de sorte que la précision baisse.

On comprend que de tels systèmes combinant plusieurs sous-systèmes deviennent coûteux tout en imposant des contraintes pour l'intégration dans un véhicule.

La présente invention a donc pour objectif de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus. Plus précisément, un des objectifs de la présente invention est de remédier à ces inconvénients par un système de localisation en 2 dimensions d'un véhicule qui est précis, fiable et peu onéreux. Un tel système peut avantageusement être utilisé dans un dispositif de surveillance des alentours d'un véhicule pour donner la localisation du véhicule par rapport aux alentours.

W Cet objectif ainsi que d'autres sont atteints grâce à un système de localisation en 2 dimensions d'un véhicule à faible vitesse, comprenant: un premier capteur de vitesse de roue monté sur une première roue pour capter des premières impulsions représentatives de la position de la première roue, un second capteur de vitesse de roue monté sur une seconde roue pour capter des secondes impulsions représentatives de la position de la seconde roue, un moyen de mémorisation destiné à stocker lesdites impulsions, une unité centrale de traitement comprenant une horloge destinée à ajouter une estampille temporelle à chaque impulsion indiquant son temps de réception par le moyen de mémoration, un odomètre destiné à recevoir les données stockées dans ledit moyen de mémorisation pour calculer la position du véhicule, ledit odomètre incluant un moyen de mesure du temps destiné à mesurer la durée entre la réception de chaque première impulsion, entre la réception de chaque seconde impulsion, et entre la réception de chaque impulsion, un moyen de détermination d'un premier pas correspondant à la durée entre la réception de chaque première impulsion, un moyen de détermination d'un second pas correspondant à la durée entre la réception de chaque seconde impulsion, un moyen de sélection pour établir une valeur n, un moyen de division pour diviser le premier ou le second pas par la valeur n pour obtenir un pas virtuel, ledit odomètre utilisant le pas virtuel pour calculer la position du véhicule par une équation d'odométrie.

On comprend ainsi que le principe de l'invention se base sur l'augmentation virtuelle de la résolution d'un capteur de vitesse dans l'odomètre en ajoutant un nombre n de pas entre les pas réels d'un capteur de vitesse de roue. Ainsi, les données correspondant au déplacement de chaque roue fournies au système de calcul de la localisation sont plus précises permettant l'utilisation pour un système de localisation nécessaire au dispositif de surveillance des alentours d'un véhicule qui est principalement utilisé à faible vitesse.

On va décrire ci-après, à titre d'exemple uniquement, un mode de réalisation de l'objet de l'invention en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 montre un schéma de base du système de surveillance des alentours d'un véhicule qui utilise le système de localisation à faible vitesse selon l'invention, la figure 2 est un exemple d'un capteur de vitesse de roue dans un système de freinage antiblocage classique, la figure 3 montre un exemple dans un tableau des données des capteurs de vitesse de roue reçues par le système, la figure 4 montre un modèle de véhicule utilisé pour la localisation dans un système d'odométrie, la figure 5 représente deux trains de impulsions obtenus par les capteurs de vitesse de roue quand le véhicule se déplace en ligne droite, et la figure 6 montre un exemple d'une implémentation courante des impulsions obtenues par les capteurs de vitesse de roue permettant de déterminer la localisation d'un véhicule à un moment déterminé.

La figure 1 montre schématiquement le système selon la présente invention. Le système de localisation, indiqué par la référence générale 1, comporte un odomètre 2, une unité centrale de traitement 4, une mémoire 6, au moins deux capteurs de vitesse de roue 7 et 8, un commutateur de boîte de vitesse 9.

IO Optionnellement, le système comprend en outre un dispositif de surveillance des alentours d'un véhicule comportant ici une caméra 10, une unité de reconnaissance d'images 14, une unité de traitement d'images 13 et un module d'affichage 12.

D'une façon avantageuse, les capteurs de vitesse 7, 8 sont des capteurs de vitesse conventionnels connus des systèmes de freinage antiblocage classique, appelé ci-après les systèmes ABS.

La figure 2 montre un exemple d'un capteur de vitesse de roue dans un système de freinage antiblocage classique. Une roue de véhicule comprend une plaque de montage 18 sur lequel est fixé le capteur de vitesse de roue 7. En face du capteur 7 est monté un anneau de vitesse de roue 17, associé à un rotor 23 de la roue. Un étrier de frein 21 est prévu d'une plaquette de frein 22 permettant de freiner la roue. L'ensemble est monté sur un essieu 19 du véhicule, et la roue peut être fixé sur des tenons 20. D'une façon connue, quand la roue tourne, l'anneau de vitesse de roue tourne également. L'anneau de vitesse 17 est prévu des trous, en général, 24, 48 ou même 96 trous. Chaque fois qu'un trou passe devant le capteur, une impulsion est générée qui est envoyé vers l'unité de traitement central 4 du système ABS.

On comprend que chaque impulsion indique la position radiale de la roue. Dans les systèmes ABS à faibles coûts, deux capteurs sont prévus, par exemple dans chacune des roues arrière. Quand on compte les impulsions, on peut déterminer la position du véhicule en connaissant le diamètre de la roue ainsi que la résolution des capteurs utilisés. Les systèmes conventionnels d'odométrie utilisent ce principe pour déterminer la position du véhicule.

W La précision du système d'odométrie dépend de plusieurs facteurs, comme cela a déjà été expliqué ci-dessus, mais en général plus le nombre de trous est grand, meilleure la précision sera. Les systèmes haut-gamme actuels utilisent 48 ou 96 trous. Toutefois, il est techniquement difficile de faire plus de trous car il y a un manque de place, et le coût de fabrication devient très élevé.

Selon l'invention, au moins deux capteurs sont prévus, un dans chaque roue arrière du véhicule. Bien entendu, il est possible de mettre des capteurs dans chaque roue, ou seulement dans les roues avant. Chaque capteur de vitesse de roue reçoit des impulsions permettant de connaître la position du véhicule. Donc, un premier capteur de vitesse 7 de roue est monté sur une première roue pour capter les impulsions représentatives de la position de 1_a première roue. Un second capteur de vitesse 8 de roue est monté sur une seconde roue pour capter les impulsions représentatives de la position de la seconde roue. Les impulsions sont envoyées vers le moyen de mémorisation 6 pour stockage. Une unité centrale de traitement 4 est également prévue qui comprend une horloge destinée à ajouter une estampille temporelle à chaque impulsion indiquant son temps de réception par le moyen de mémoration 6 (ce temps correspond à l'instant auquel l'impulsion a été générée). La figure 3 montre un exemple de stockages des impulsions avec l'information temporelle dans un tableau 15.

Donc, à gauche, les impulsions du premier capteur 7 sont stockées dans l'ordre de réception. La première impulsion arrive au moment t=0 seconde (dans cet exemple), la seconde impulsion arrive au moment t=0,00125 seconde etc. A droite, les mêmes informations sont représentées pour le second capteur 8. Comme les roues du véhicule ne sont pas forcément alignées, les impulsions des roues n'arrivent pas au même moment, mais avec un léger décalage temporel.

L'odomètre 2 est en outre prévu pour recevoir les données stockées dans le tableau 15 du moyen de 1.5 mémorisation 6 afin de calculer la position du véhicule. Les odomètres conventionnels utilisent des algorithmes connus pour faire ceci, car le mouvement incrémentai du véhicule peut être calculé grâce aux impulsions reçues.

Dans un odomètre conventionnel, ce mouvement incrémentai doit être intégré dans le temps ce qui résulte en une accumulation des erreurs.

Selon l'invention, les impulsions stockées dans la mémoire 6 contiennent également le temps de réception des impulsions par la mémoire 6. Ceci permet de déterminer la durée entre la réception de chaque impulsion, indépendamment du fait si c'est une première ou une seconde impulsion (provenant du même capteur), mais il est également possible de déterminer l'écart entre le moment de réception de chaque première impulsion et de chaque seconde impulsion (provenant de deux capteurs différents).

A cet effet, ]'odomètre selon l'invention comporte un moyen de mesure du temps destiné à mesurer la durée entre la réception de chaque première impulsion, entre la réception de chaque seconde impulsion, et entre la réception de chaque impulsion.

A titre d'exemple, la Figure 5 représente deux trains de impulsions qui peuvent être obtenues par les capteurs de vitesse de roue quand le véhicule se déplace en ligne droite avec décalage initial entre la roue gauche et droite. Cet exemple est utilisé pour sa facilité de compréhension. Un exemple quand le véhicule tourne aurait tout aussi bien pu être utilisé. La ligne du haut correspond aux impulsions tLi (réels) obtenues par la roue gauche (chronologiquement) avec i= 0, 1, 2, .... La ligne du bas représente les impulsions tRi (réels) obtenues par la roue droite.

Les différentes durées mesurables sont: 1.5 Les différences entre les impulsions d'un même capteur (par exemple tLl-tLO, tL2-tLl, ...) Les différences entre les impulsions des deux capteurs (par exemple tLO-tRO, tRl-tLO, tLltRl, tR2-tLl, tL2-tR2, ...) . De plus, l'odomètre 2 comporte un moyen de détermination d'un premier pas discrétisant la durée entre la réception de chaque première impulsion, par exemple tLO-tRO. Ce moyen, ou un moyen de détermination supplémentaire, peut également déterminer un second pas discrétisant la durée entre la réception de la première impulsion d'un capteur et la seconde impulsion du deuxième capteur, par exemple tRl-tLO.

Une fois les pas déterminés, il est possible de déterminer un pas virtuel qui est plus petit que le pas réel. Ainsi, un moyen de sélection est prévu pour établir une valeur n. Un exemple de la valeur n est 1, 10 ou 100, où une valeur plus élevée donne une précision plus élevée. Bien entendu, n peut avoir une valeur quelconque autre que 1, 10 ou 100.

La valeur de n est déterminée en fonction de la précision que l'on veut atteindre. Comme mentionné plus haut, plus n est élevée plus la précision sera élevée. Par exemple, supposons que l'on veuille obtenir une résolution virtuelle 200 fois plus petite que le capteur courant. Dans ce cas, il faut créer 99 impulsions virtuelles sur chaque différence entre les impulsions tLO-tRO.

Ensuite, un moyen de division divise le premier pas par la valeur n pour obtenir le pas virtuel. Il faut donc diviser l'intervalle de temps tLOtRO/l00 pour obtenir le pas de discrétisation. On crée donc 99 impulsions virtuelles espacés dans le temps de tLO-tRO/l00 secondes (delta tivirtuei) . Il faut aussi faire un raisonnement identique sur l'intervalle tRl-tLO pour obtenir delta t2virtuel Il est à noter que n ne peut pas être très grand car dans les équations de l'odométrie il y a une dérivation, c'està-dire une division par delta tv,irtuel qui peut devenir numériquement instable si delta treel (e.g. tLO- tRO) est très faible et n est grand (avec delta tvirtuel = delta treei/n). De plus il faut noter que delta t est une différence de temps entre une impulsion de droite et une impulsion de gauche. Cette différence peut être très faible voir nulle si les 2 impulsions sont générées (presque) simultanément. Dans ce cas, n est alors fixe à la valeur 1. Le cas ou la différence est nulle est un cas particulier qui est généralement pris en compte par les différents algorithmes d'odométrie.

Avec un capteur de résolution réelle de 48 impulsions/révolution, une valeur de n=100 donne les meilleurs positionnements du véhicule pour une trajectoire typique de parking. Ceci correspond à une résolution virtuelle de 48*200=9600 impulsions virtuelles/révolution. Une valeur de n supérieure n'apporte pas de précision en plus et peut causer des erreurs numériques.

Il est à noter qu'avec la méthode utilisée le premier pas peut être différent du deuxième pas. Un autre technique aurait facilement pu garantir un pas identique sur les deux intervalles de temps.

L'odomètre 2 selon l'invention utilise ces pas virtuels pour calculer la position du véhicule par une 10 équation d'odométrie.

La figure 4 montre un modèle de véhicule utilisé pour la localisation dans un système d'odométrie. La position et l'orientation du véhicule peuvent être déterminées avec trois variables: x, y et O, où O représente l'angle par rapport à l'axe y, comme cela est montré sur la figure 4. Quand on considère que la vitesse du véhicule est V , et la vitesse angulaire est w, on obtient les formules suivantes indiquant les relations entre l'état du véhicule, sa vitesse, et la vitesse angulaire: dx/dt = VcosO dy/dt = VsinO dO/dt = m Bien qu'il n'est pas possible de mesurer directement la vitesse du véhicule V et la vitesse angulaire u0, celles-ci peuvent être déterminées en utilisant la vitesse des roues intégrant les capteurs de vitesse de roue 7 et 8. Ainsi, on obtient: V = (Vrr + Vrl) /2 t') = (Vrr Vrl) /Lt, où Vrr est la vitesse de la roue droite arrière, quand le capteur est intégré dans la roue arrière, et Vrl 30 est la vitesse de la roue gauche arrière, et Lt est la longueur de la bande de roulement du véhicule.

Il est ainsi possible de déterminer l'état du véhicule (x, y, O) au moment t par rapport à un état antérieur c'est-à-dire au moment t0 (xo, yo, Oo) par une intégration dans le temps du moment t=to à t=t. Ce qui donne les formules d'odométrie: x(t) = xu +f ( 2(Vrr(t) + Vrl(t)))cos(O(t) )ch (1 Y(t)=Yo+ f 2 Vrr(t) + Vrl(t))) sin(O(t))dt o(t) = 00 +f (t(Vrr(t) Vrl(t)))dt Il est une remarque importante à faire ici: les intégrations (équations présentées ci-dessus) ne se font pas sur un intervalle de temps déterminé à l'aide d'impulsions réelles (entre t, =tRO et t=tLO). Celles-ci se font sur des intervalles déterminés à l'aide de impulsions virtuelles qui sont, dans l'exemple utilisé, 100 fois plus petits. Etant donné que chaque intégration induit une erreur et que celle-ci croit en fonction de l'intervalle d'intégration, il est donc préférable d'utiliser des intervalles faibles afin de réduire les erreurs de calculs. Ceci est d'autant plus vrai que ces erreurs s'accumulent car le calcul de l'odométrie est incrémentai.

Ci-après il y a une description d'une implémentation courante en se référant à la figure 6.

On considère que le véhicule se déplace en ligne droite. Le système d'odométrie reçoit alternativement des impulsions provenant des roues droite et gauche. On suppose que l'impulsion tL2 vient d'être reçu. Donc, les impulsions tR3 et tL3 vont ensuite être reçus. La position du véhicule jusqu'à l'instant tLl (ou tO) est connue grâce à des calculs précédents, voir figure 6.

Ayant reçu tL2, il est maintenant possible de calculer la pose du véhicule jusqu'à l'instant tR2 (ou tl). Ceci est réalisé en déterminant le pas sur l'intervalle (tLl, tR2) et en intégrant les équations d'odométrie sur tous les intervalles de temps virtuel entre tO et tl.

L'algorithme utilisé, introduit un petit délai dans le positionnement car il ne détermine pas la position entre tR2 et tL2, mais il permet de ne pas introduire d'erreur car le comportement de la roue droite est inconnu (à l'instant tL2) entre tR2 et tL2, car tR3 n'est pas encore reçu. L'erreur qui aurait pu être introduite ce serait elle aussi accumulée dans le temps. Bien entendu, l'algorithme utilisé permet aussi de déterminer la pose du véhicule jusqu'à tL2 mais avec une moins bonne précision.

Grâce aux impulsions virtuelles, il est donc possible de minimiser les erreurs dues à l'intégration dans les systèmes d'odométrie conventionnels en utilisant un pas virtuel à haute résolution, car les impulsions intermédiaires virtuelles diminuent implicitement les problèmes de localisation des systèmes conventionnels.

Avantageusement, le système de localisation selon l'invention décrit cidessus peut être intégré dans un dispositif de surveillance des alentours d'un véhicule pour donner la localisation du véhicule par rapport aux alentours. En effet, grâce à la précision plus élevée du système d'odométrie, la caméra 10 (voir la Figure 1) utilisée dans le dispositif peut être calibré suffisamment précis permettant de créer l'environnement et les obstacles dans les alentours du véhicule. I3

De plus, le système d'odométrie selon l'invention permet de calculer la distance du véhicule par rapport aux obstacles détectés par le dispositif afin de constituer une assistance au stationnement du véhicule.

Dans un mode de réalisation particulier du système de localisation en 2 dimensions d'un véhicule à faible vitesse selon la présente invention, les capteurs de vitesse de roue 7 et 8 peuvent être intégrés à un capteur ABS.

W De plus, comme certains capteurs ABS de faible coût ne détermine pas le sens de marche d'un véhicule, il est préférable dans ce cas de prévoir en outre un commutateur de boîte de vitesse destiné à déterminer la direction de marche du véhicule (marche avant ou marche arrière).

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. Ainsi, il est à noter que plusieurs modifications et/ou améliorations peuvent être apportées à la méthode selon l'invention sans sortir du cadre de celle-ci.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Système de localisation en 2 dimensions d'un véhicule à faible vitesse, comprenant: un premier capteur de vitesse de roue monté sur une première roue pour capter des premières impulsions représentatives de la position de la première roue, un second capteur de vitesse de roue monté sur une seconde roue pour capter des secondes impulsions représentatives de la position de la seconde roue, un moyen de mémorisation destiné à stocker lesdites impulsions, une unité centrale de traitement comprenant une horloge destinée à ajouter une estampille temporelle à chaque impulsion indiquant son temps de réception par le moyen de mémoration, un odomètre destiné à recevoir les données stockées dans ledit moyen de mémorisation pour calculer la position du véhicule, ledit odomètre incluant un moyen de mesure du temps destiné à mesurer la durée entre la réception de chaque première impulsion, entre la réception de chaque seconde impulsion, et entre la réception de chaque impulsion, un moyen de détermination d'un premier pas correspondant à la durée entre la réception de chaque première impulsion, un moyen de détermination d'un second pas correspondant à la durée entre la réception de chaque 30 seconde impulsion, un moyen de sélection pour établir une valeur n, un moyen de division pour diviser le premier ou le second pas par la valeur n pour obtenir un pas virtuel, ledit odomètre utilisant le pas virtuel pour calculer la position du véhicule par une équation d'odométrie.

2. Système de localisation en 2 dimensions d'un véhicule à faible vitesse selon la revendication 1, comprenant en outre un capteur ABS, dans lequel les premier et second capteurs de vitesse de roue sont intégrés au capteur ABS.

3. Système de localisation en 2 dimensions d'un véhicule à faible vitesse selon la revendication 2, comprenant en outre un commutateur de boîte de vitesse destiné à déterminer la direction de marche du véhicule.

4. Système de localisation en 2 dimensions d'un véhicule à faible vitesse selon la revendication 1, comprenant en outre un dispositif de surveillance des alentours d'un véhicule, ledit dispositif de surveillance des alentours d'un véhicule étant couplé audit odomètre pour utiliser la localisation du véhicule calculée par l'odomètre.

5. Système de localisation en 2 dimensions d'un véhicule à faible vitesse selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la valeur de n est un entier.